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三维封装芯片Cu-In体系固液互扩散低温键合机理研究

作　者: 王宁
导　师: 田艳红
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: SLID键合 金属间化合物 组织演化 剪切试验 断口分析
分类号: TN405
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


芯片封装已经迈入3D封装的时代，固液互扩散键合法（SLID，Solid-Liquid-Inter-diffusion Bonding）以其独有的优势成为芯片互连中的很有发展前景的一种方法。SLID键合采用低温钎料Sn或In，在较低温度下就可键合，并且由于焊点尺寸小，键合后全部由金属间化合物IMC（Intermetallic Compound，IMC）组成，由于IMC熔点较高，因此可以达到低温键合，高温服役的效果。Cu作为芯片内部互连材料可以实现良好的性能，In的熔点比Sn低很多，可以在更低的温度下实现键合，因此对SLID键合中Cu-In体系的研究具有重要的现实意义。本文首先对Cu-In体系SLID键合焊点的制作工艺进行探讨，优化了镀膜工艺参数，然后对高低两种键合温度下焊点的组织演变进行了分析，并对焊点中出现的裂纹和孔洞等缺陷进行了研究，最后对焊点的剪切性能进行研究，比较了不同工艺参数的焊点剪切性能，并对剪切断口进行分析，确定了断裂模式和断裂位置。研究结果表明：只有200℃键合40min后的焊点未形成全IMC焊点，而260℃、310℃和360℃键合40min后的焊点均形成全IMC焊点。在260℃键合初期焊缝中首先生成Cu11In9相，然后在Cu11In9与Cu的界面处生成Cu2In相，但是其形核长大的速度很慢。在360℃键合初期焊缝中首先生成Cu2In相，随后相变生成Cu7In3相，并且其长大形核的速度非常快，并且Cu7In3相沿Cu2In晶界方向生长更快。在Cu与焊缝界面处会产生可肯达尔孔洞，并且随着键合温度的提高和键合时间的增长而增多增大。在焊缝中还存在纵向贯穿裂纹，这种裂纹多起源于界面处的可肯达尔孔洞。对焊点剪切强度的研究表明Cu2In相的存在就可以增强了焊点的剪切性能，而Cu7In3相的存在并未使焊点剪切强度提升。260℃键合360min焊点中出现的裂纹是由Cu11In9相向Cu2In相转变产生的体积变化导致的。260℃键合的焊点断裂模式主要为解理断裂，且断裂均发生在Cu11In9层。在260℃键合360min的焊点断口中发现了许多舌状花样，可分为两种，第一种表面光滑，断在Cu11In9层，第二种表面是明显的沿晶断裂，断在Cu2In与Cu7In3相的界面处，说明这两相的界面结合力很弱。360℃键合40min和160min的焊点断裂模式主要为解理断裂，且断裂均发生在Cu2In层，都发现了舌状花样。360℃键合360min的焊点一部分为沿晶断裂，发生在Cu2In相与Cu7In3相的界面处，一部分为解理断裂，断裂在Cu7In3层。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-20
  1.1 课题背景及研究目的  9-10
  1.2 国内外的研究现状  10-19
    1.2.1 SLID 键合  10
    1.2.2 SLID 键合焊点的制备工艺  10-13
    1.2.3 SLID 键合体系  13-17
    1.2.4 SLID 键合焊点剪切性能及断口分析  17-19
  1.3 本文主要研究内容  19-20
第2章 实验材料及方法  20-25
  2.1 实验过程概述  20
  2.2 实验材料  20
  2.3 实验设备及方法  20-24
    2.3.1 磁控溅射设备  20-21
    2.3.2 电镀设备  21
    2.3.3 薄膜退火及焊点键合设备  21
    2.3.4 薄膜表面形貌、粗糙度及结合力分析  21-22
    2.3.5 SLID 键合焊点试样的制备  22
    2.3.6 焊点组织成分分析  22-23
    2.3.7 焊点剪切试验及断口分析  23-24
  2.4 本章小结  24-25
第3章 Cu-In 体系 SLID 键合焊点的制备工艺  25-34
  3.1 焊点结构设计  25-26
  3.2 薄膜的制备  26-32
    3.2.1 溅射层薄膜的制备  26-27
    3.2.2 电镀层薄膜的制备  27-32
  3.3 薄膜退火工艺  32-33
  3.4 本章小结  33-34
第4章 Cu-In 体系 SLID 键合焊点组织演变  34-49
  4.1 不同键合温度焊点组织成分分析  34-37
  4.2 不同键合时间焊点组织演变  37-42
    4.2.1 260℃不同键合时间焊点组织演变  37-39
    4.2.2 360℃不同键合时间焊点组织演变  39-42
  4.3 界面分布小孔洞及焊缝纵向贯穿裂纹的形成分析  42-45
  4.4 XRD 验证分析焊缝物相组成  45-47
  4.5 本章小结  47-49
第5章 Cu-In 体系 SLID 键合焊点剪切试验及断口分析  49-70
  5.1 不同键合工艺参数下焊点的剪切性能  49-55
    5.1.1 260℃不同键合时间下焊点剪切强度  50-52
    5.1.2 360℃不同键合时间下焊点剪切强度  52-55
  5.2 260℃键合长时间焊点出现未焊上区域的机理分析  55-60
  5.3 剪切断口分析  60-69
    5.3.1 260℃键合焊点剪切断口分析  61-63
    5.3.2 断口中舌状花样形成机理分析  63-66
    5.3.3 360℃键合焊点剪切断口分析  66-69
  5.4 本章小结  69-70
结论  70-72
参考文献  72-76
攻读硕士学位期间发表的论文  76-78
致谢  78

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 微电子学、集成电路（IC） > 一般性问题 > 制造工艺
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